Windows 8 加快了启动速度

  • [アーティクル]

谈到“基本功能”时，我们希望从启动时间开始，因为与其他功能相比，有关该功能的讨论更为激烈，需要更为慎重地权衡利弊。在设计 Windows 8 时，我们力图减少计算机的启动频率（并且我们一直致力于减少修补运行代码所需的重新启动次数）。同时，我们也在致力于尽可能地提高启动速度。这是一个非常深刻的主题，并且获得了大量读者的关注。Windows 8 在此领域取得了期待已久的重大突破，这在很大程度上要归功于整个生态系统的合作。Windows 项目管理总监 Gabe Aul 撰写了本博文（并将负责撰写一系列有关基本功能的后续博文）。
--Steven

Windows 中很少有功能会像启动功能这样引起如此程度的关注、权衡和意见分歧。出现这种情况也在情理之中，启动时间是衡量整体系统性能的一个重要指标，并且我们都意识到启动体验对于赢得用户的青睐至关重要。数据显示，57% 的台式计算机用户和 45% 的笔记本电脑用户会选择关闭他们的计算机，而不是让计算机进入睡眠模式。总体来看，半数用户会选择关闭其计算机，而不是让计算机进入睡眠模式。

Windows 7 笔记本电脑电源转换的饼图，显示睡眠比例为 45%，休眠比例为 11%，而关机（包括重新启动）比例为 45%
Windows 7 台式计算机电源转换的饼图，显示睡眠比例为 42%，休眠比例为 1%，而关机（包括重新启动）比例为 57%

本质上，人们倾向于关机是由于他们希望 PC 彻底“关闭”，不再消耗任何电量，以便延长电池使用时间或降低能源消耗。休眠也是一个不错的选择，在这种模式下也不会消耗电量，因此获得了很多人的青睐。但是，这种模式显然并非适合所有人，因为我们听说许多人希望启动计算机后迎来一个“全新的开始”，而不是继续运行上一次会话中的全部事务。在当今的 PC 上，睡眠/恢复是快速开/关转换的最佳选择，但在这种模式下仍会消耗少量电量以便保存 RAM 中的内容，虽然在经过良好优化的系统上只会消耗极少电量，但同样有可能耗尽电池电量。但是回顾一下我们目前使用手机的方式，您会发现我们很少会将其重新启动，并且始终会让手机处于类似睡眠的状态。

因此，我们所面临的挑战就是在不需要某种特殊新硬件支持的情况下，设计出一种可满足当今 PC 所有这些需求的方式。以下是我们的目标：

  • 关机时完全避免电源消耗
  • 启动后进入全新的会话
  • 按下电源开关后很快就可以使用 PC。

在 Windows 7 中，我们对启动过程进行了大量改进，包括设备驱动程序的并行初始化和触发启动服务，但是很显然，想要让启动速度进一步接近于满足所有这些需求，我们必须进行更多创新和简化。

我们的解决方案是一种全新的快速启动模式，该模式是传统冷启动和休眠恢复的混合体。

在详细介绍该模式的工作方式之前，了解一些目前 Windows 7 所采用的关机和启动方式的有关信息可能会对您有所帮助。

关机过程包括以下操作：

  1. 用户从“开始”菜单选择“关机”或按下电源按钮启动关机过程；或者应用程序通过调用 ExitWindowsEx() 或 InitiateShutdown() 等 API 启动关机过程。
  2. Windows 向正在运行的应用程序广播消息，通知这些应用程序保存数据和设置。应用程序也可以请求一小段额外的时间，以便完成正在处理的事务。
  3. Windows 关闭每个已登录用户的用户会话。
  4. Windows 向服务发送消息，通知它们已开始关机，并陆续将这些服务关闭。具有依赖关系的已订购服务将串行关闭，其他服务将并行关闭。如果某项服务未响应，则将被强制关闭。
  5. Windows 向设备广播消息，通知其关闭。
  6. Windows 关闭系统会话（也称为“会话 0”）。
  7. Windows 会将所有待处理的数据传入系统驱动器，确保数据获得完整保存。
  8. Windows 通过 ACPI 接口向系统发送信号以关闭 PC。

启动过程包括以下操作：

  1. 按下电源按钮后，PC 的固件启动开机自检 (POST) 并加载固件设置。检测到有效的系统磁盘后，这一预启动过程结束。
  2. 固件读取主启动记录 (MBR)，然后启动 Bootmgr.exe。Bootmgr.exe 查找并启动 Windows 启动分区上的 Windows 加载器 (Winload.exe)。
  3. 系统加载启动 Windows 内核所必需的驱动程序，同时内核开始运行，将系统注册表配置单元和标记为 BOOT_START 的其他驱动程序加载到内存。
  4. 内核会将控制权移交给会话管理器进程 (Smss.exe)，该进程将初始化系统会话，加载并启动未标记为 BOOT_START 的设备和驱动程序。
  5. Winlogon.exe 启动，显示用户登录界面，服务控制管理器启动服务，并运行所有组策略脚本。用户登录后，Windows 为该用户创建会话。
  6. Explorer.exe 启动，系统创建桌面窗口管理器 (DWM) 进程，该进程会初始化桌面并进行显示。

如果您希望进一步了解更多相关信息，请访问以下网址：https://msdn.microsoft.com/en-us/windows/hardware/gg463386

您应该注意的关键点是：在传统关机模式中，我们会关闭所有用户会话，并在内核会话中关闭服务和设备，以便为彻底关机做准备。

以下是 Windows 8 的主要差异：与 Windows 7 中一样，我们会关闭用户会话，但我们不再关闭内核会话，而是将其休眠。完全休眠包含大量正在由应用程序使用的内存页，相比之下，会话 0 休眠数据要小得多，这将大大降低写入磁盘所需的时间。如果您对休眠的概念不太熟悉，简单来说，休眠就是将系统状态和内存内容保存到磁盘上的一个文件 (hiberfil.sys) 中，然后在恢复时重新读取该文件，并将内容恢复到内存中。借助此项技术，我们得以将启动时间显著缩短，因为在大多数系统中，读取休眠文件并重新初始化驱动程序的方式将大大加快启动速度（在我们测试过的大部分系统中，速度普遍提高了 30-70%）。

比较 30 种不同 PC 配置下 Windows 8 快速启动时间与 Windows 7 冷启动时间的条形图。Windows 8 启动时间全部介于 15 至 33 秒之间，而 Windows 7 冷启动则介于 25 至 72 秒之间。
来自系统集成测试实验室系统的测试结果样本。
单击可查看本图表的放大版本。

与执行完整系统初始化相比，恢复休眠的系统会话的工作量将大大减少，这是启动速度加快的原因之一。同时，我们添加的多阶段恢复功能可以并行利用多核系统的所有核心，将读取休眠文件和解压内容的工作分割处理，这是启动速度加快的另一个原因。这对于偏好休眠的各位读者也是一个好消息，因为该功能也会加快休眠的恢复速度。

展示各启动阶段所需相对时间的条形图。对于 Windows 7 冷启动，POST/预启动会耗费大约 1/3 的时间，系统初始化会耗费一半多一点的时间，而用户会话初始化会耗费大约 1/5 的时间。对于 Windows 8 快速启动，POST/预启动会耗费大约 1/3 的时间，而休眠文件读取和用户会话初始化各耗费大约 1/4 的时间，启动器初始化耗费的时间略少于休眠文件和用户会话初始化。
冷启动和快速启动各阶段的展示。
单击可查看本图表的放大版本。

或许我应该简单介绍一下我们处理休眠文件的方式 — 如果您读到这里并立即访问 dir /s /ah hiberfile.sys，您将发现这是磁盘上的一个相当大的文件。休眠文件的默认大小为物理 RAM 的 75%。该文件实质上是用于保存休眠数据，会在系统进入休眠的同时写入。通常，实际使用的空间要小很多，对于快速启动，使用的空间通常为物理 RAM 的大约 10%-15%，但会根据具体的驱动器、服务或其他因素而有所不同。系统处理休眠文件的方式也与处理磁盘上其他文件的方式略有不同，例如，卷快照服务会忽略该文件（略微提升性能）。您可以从提升的命令行提示符运行 powercfg /hibernate off 来禁用休眠并回收此空间。但是请注意，如果您选择这样做，则将彻底禁用休眠（包括一些非常实用的功能，例如，快速启动和混合睡眠），混合睡眠功能允许桌面系统同时进入睡眠和休眠状态，这样如果出现电源中断的情况，您仍可从休眠状态中恢复。您也可以运行 powercfg /hibernate /size 并指定一个介于 0 到 100 之间的值，该值表示休眠文件的预留大小为物理 RAM 的百分之几，但请慎重指定该值！指定的值过小可能会导致休眠失败。通常来说，除非系统的磁盘空间极为有限，否则建议您保留默认值。

关于 Windows 8 的快速启动模式，您还应该注意以下事实：我们并未针对所有驱动器执行完整的“即插即用”枚举，在此模式下，我们仍将初始化驱动器。对于那些偏好冷启动以便“刷新”驱动器和设备的读者，当您得知该特性在此新模式中仍然有效后一定倍感欣慰，虽然该过程与冷启动略有不同。

这一全新的快速启动模式可使几乎所有系统受益，无论其安装的是旋转式硬盘驱动器 (HDD) 还是固态驱动器 (SSD) 都是如此，但对于安装高速 SSD 的新一代系统效果尤为明显。您可以通过以下视频来亲眼见证其效果：

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请下载此视频以便在您常用的媒体播放器中观看：
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您将在视频中注意到，从 POST 切换到 Windows 的速度有多快。与使用传统 BIOS 的系统相比，使用统一可扩展固件接口 (UEFI) 构建的系统更容易实现非常快速的预启动。这并非因为 UEFI 在本质上更快，而是因为 UEFI 编写者从零开始，其实现相对于构建于陈旧的 BIOS 上的实现更易于优化。好消息是大部分系统和主板制造商开始采用 UEFI，因此新系统将普遍实现此类快速启动。

当然，偶尔您还是需要执行彻底关机，例如，当您打开系统以添加或更换某些硬件时。我们在用户界面中提供了恢复到 Windows 7 关机/冷启动行为的选项，或者由于极少会执行这一操作，您也可以在 shutdown.exe 中使用 /full 新开关。请从命令行提示符运行以下命令：shutdown /s /full / t 0 以调用即时完整关机。同样，通过用户界面选择重新启动也会执行完整关机，然后执行冷启动。

启动模块主要由我们的内核平台小组开发，但在 Windows 8 中也有许多其他团队参与其中，以便对整个操作系统进行更改，以支持这一新模式和我们即将介绍的其他激动人心的启动变化。在内部使用过程中，我们对于 Windows 8 的启动性能感到非常满意，并非常希望您能亲自尝试一下，以便告诉我们您的感受。

Gabe Aul